RO129798A2 - Resistive acetone vapour sensor - Google Patents

Resistive acetone vapour sensor Download PDF

Info

Publication number
RO129798A2
RO129798A2 ROA201300165A RO201300165A RO129798A2 RO 129798 A2 RO129798 A2 RO 129798A2 RO A201300165 A ROA201300165 A RO A201300165A RO 201300165 A RO201300165 A RO 201300165A RO 129798 A2 RO129798 A2 RO 129798A2
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
sensor
acetone
resistive
gas
concentration
Prior art date
Application number
ROA201300165A
Other languages
Romanian (ro)
Other versions
RO129798B1 (en
Inventor
Corneliu Doroftei
Felicia Dacia Iacomi
Original Assignee
Universitatea "Alexandru Ioan Cuza" Din Iaşi
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitatea "Alexandru Ioan Cuza" Din Iaşi filed Critical Universitatea "Alexandru Ioan Cuza" Din Iaşi
Priority to ROA201300165A priority Critical patent/RO129798B1/en
Publication of RO129798A2 publication Critical patent/RO129798A2/en
Publication of RO129798B1 publication Critical patent/RO129798B1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

The invention relates to a resistive acetone sensor meant to detect and measure the concentration of acetone vapour in the air. According to the invention, the sensor uses as a sensitive element a ceramic material with submicronic structure prepared from the oxide compound with the composition LaPbFeZnO, where x = 0.05...0.5.

Description

Invenția se referă la un senzor rezistiv de gaze reducătoare destinat detectării și măsurării concentrației vaporilor de acetonă din aer. Invenția urmărește rezolvarea problemei realizării unui senzor pentru vapori de acetonă simplu, sensibil, cu selectivitate bună față de alte gaze, ieftin, stabil și cu o bună rezistență la contaminare.The invention relates to a resistive reducing gas sensor for detecting and measuring the concentration of acetone vapor in the air. The invention aims to solve the problem of making a simple, sensitive acetone vapor sensor, with good selectivity over other gases, cheap, stable and with good contamination resistance.

Senzorul este un dispozitiv care detectează sau măsoară unele condiții sau proprietăți și înregistrează, indică sau uneori răspunde la informația primită. Astfel, senzorii au funcția de a converti un stimul într-un semnal măsurabil. Stimulii pot fi la origine mecanici, termici, electromagnetici, acustici sau chimici în timp ce semnalul măsurabil este tipic de natură electrică, deși pot fi de asemenea folosite semnale pneumatice, hidraulice și optice.The sensor is a device that detects or measures certain conditions or properties and records, indicates or sometimes responds to the information received. Thus, sensors have the function of converting a stimulus into a measurable signal. The stimuli may be of mechanical, thermal, electromagnetic, acoustic or chemical origin while the measurable signal is typically electrical in nature, although pneumatic, hydraulic and optical signals can also be used.

Caracteristicile principale ale senzorilor pot fi definite prin următorii parametri: domeniul de utilizare, sensibilitatea, rezoluția (cel mai mic încremeni măsurabil al stimulului), frecvența maximă a stimulului ce poate fi detectat (rapiditatea), acuratețea (eroarea de măsurare raportată în procente, la întreaga scală), dimensiunile și masa senzorului, temperatura de operare și condițiile de mediu, durata de viață (în ore sau număr de cicluri de operare), stabilitatea pe termen lung și costul.The main characteristics of the sensors can be defined by the following parameters: range of use, sensitivity, resolution (lowest measurable stimulus pitch), maximum frequency of the detectable stimulus (speed), accuracy (measurement error reported in percentages, at full scale), sensor size and mass, operating temperature and environmental conditions, lifetime (in hours or number of operating cycles), long-term stability and cost.

Un senzor de gaz este un convertor care detectează molecule de gaz și produce un semnal electric a cărui valoare este proporțională cu concentrația de gaz. Dispozitivele cu senzori de gaz se pot clasifica în trei grupe, fiecare grupă diferă funcție de tehnologia aplicată pentru dezvoltarea lor: sisteme optice, sisteme spectroscopice și sisteme în stare solidă.A gas sensor is a converter that detects gas molecules and produces an electrical signal whose value is proportional to the gas concentration. The devices with gas sensors can be classified into three groups, each group differs depending on the technology applied for their development: optical systems, spectroscopic systems and solid state systems.

Sistemele optice măsoară spectrul de absorbție după ce gazul țintă a fost excitat la lumină. Un astfel de senzor necesită un sistem complex: o sursă de excitație monocromatică și un senzor optic pentru analiza spectrului de absorbție.Optical systems measure the absorption spectrum after the target gas has been excited to light. Such a sensor requires a complex system: a monochromatic excitation source and an optical sensor for the absorption spectrum analysis.

Sistemele spectroscopice se bazează pe analiza directă a masei moleculare sau a spectrului vibrațional al gazului țintă. Un astfel de senzor poate măsura cantitativ compoziția diferitelor gaze cu o precizie foarte bună. Spectometrul de masă și cromatograful de gaz sunt cele mai importante sisteme de senzori spectroscopiei de gaz dar în același timp sunt foarte scumpe și dificil de implementat în spații reduse.Spectroscopic systems are based on direct analysis of the molecular mass or the vibrational spectrum of the target gas. Such a sensor can quantitatively measure the composition of different gases with very good accuracy. Mass spectrometer and gas chromatograph are the most important sensor systems for gas spectroscopy but at the same time they are very expensive and difficult to implement in small spaces.

Sistemele de senzori în stare solidă se bazează pe modificarea proprietăților fizice și chimice ale materialelor sensibile când sunt expuse la diverse medii gazoase. Datorită simplității și costului scăzut, materialele semiconductoare oxidico^^^^ă^ie materiale masive, straturi groase sau straturi subțiri, sunt indicate pentru rcalizhrca ser^orilpr’dle gaz de /Rectiir/i’raf. Dr. SgfurVĂsile , / _l VA f ' fSolid state sensor systems are based on changing the physical and chemical properties of sensitive materials when exposed to various gaseous environments. Due to their simplicity and low cost, the oxide semiconductor materials, massive materials, thick layers or thin layers, are suitable for the recalibration of the gas / rectification gas. Dr. SgfurVĂsile, / _l VA f 'f

02013-00165-2 1 4)2- 2013 tip rezistiv. Unul din mecanismele de detecție în aceste materiale este bazat în mare parte pe reacțiile ce apar la suprafața senzorului ca rezultat al modificării în concentrația oxigenului adsorbit. Ionii de oxigen adsorbiți la suprafața materialului (considerând un material semiconductor de tip n) extrag electroni din material și creează o barieră de potențial ce limitează mișcarea electronilor și conductivitatea. Când gazele reactive se combină cu acest oxigen, înălțimea barierei de potențial este redusă și astfel crește conductivitatea. Această schimbare a conductivității este direct legată de cantitatea de gaz specific prezent în mediu, de aici rezultând posibilitatea determinării prezenței și concentrației gazului. Aceste reacții gazsenzor apar mai ales la temperaturi înalte (150 - 600 °C) așa că senzorul trebuie poziționat la temperatura de răspuns maxim. Majoritatea senzorilor rezistivi în stare solidă pentru vapori de acetonă prezintă sensibilitate, stabilitate și reproductibilitate a măsurătorilor redusă, în același timp prezintă și o selectivitate scăzută în raport cu alte gaze falsificând în mare măsură rezultatele măsurătorilor. Un avantaj îl prezintă senzorii rezistivi în stare solidă sub formă de straturi subțiri prin aceea că au un consum redus de energie însă sunt sensibili la contaminare fizică și chimică fiind rareori regenerabili.02013-00165-2 1 4) 2- 2013 resistive type. One of the detection mechanisms in these materials is largely based on the reactions that occur on the surface of the sensor as a result of the change in the concentration of the adsorbed oxygen. Oxygen ions adsorbed on the surface of the material (considering a n-type semiconductor material) extract electrons from the material and create a potential barrier that limits the movement of electrons and conductivity. When reactive gases are combined with this oxygen, the height of the potential barrier is reduced and thus the conductivity increases. This change of conductivity is directly related to the quantity of specific gas present in the environment, hence the possibility of determining the presence and concentration of the gas. These gas sensor reactions occur mainly at high temperatures (150 - 600 ° C) so the sensor must be positioned at maximum response temperature. Most solid-state resistive sensors for acetone vapors have low sensitivity, stability and reproducibility of measurements, while having low selectivity compared to other gases, greatly falsifying the measurement results. An advantage is presented by the resistive sensors in solid state in the form of thin layers in that they have a low energy consumption but are sensitive to physical and chemical contamination being rarely renewable.

Senzorul rezistiv pentru vapori de acetonă conform invenției înlătură dezavantajele senzorilor prezentați prin aceea că, în scopul obținerii unei sensibilități mari, a unui domeniu larg de măsură a concentrației vaporilor de acetonă, a unei bune stabilități și a unei durate mari de exploatare, este realizat sub forma unui bloc ceramic poros din compusul oxidic cu compoziția Lao^Pbo^Fei-xZnxOs unde x = 0,05^0,5. Blocul ceramic este prevăzut cu doi electrozi interdigitali (formă de pieptene) pe una din suprafețe iar suprafața opusă fiind plasată pe un încălzitor. Materialul din care este constituit blocul ceramic este un compus oxidic, cu structura de tip perovskit și cu rezistivitatea electrică de cca. 90 Ω-cm la temperatura de 330°C, temperatură găsită experimental ca fiind cea optimă de operare. Senzorul prezintă o sensibilitate mare într-un domeniu larg de concentrații ale vaporilor de acetonă în aer (50 ppm - 2000 ppm), precum și o stabilitate fizică și chimică bună. Blocul ceramic este realizat prin presarea unei pulberi foarte fine, nanometrice, urmată de un tratament termic, astfel încât să se obțină o masă rezistentă mecanic, cu cristale submicronice și cu o porozitate de cca. 40 %. Suprafața activă, în contact cu aerul ce conține vapori de acetonă, este foarte mare fiind în cea mai mare parte în interiorul senzorului nu doar la suprafața materialului dintre electrozi, astfel este într-o măsură mare ferită de impurități solide. Pentru contaminarea chimică a întregii suprafețe active ar fi nevoie de o mare cantitate de contaminanți. S^ifeonil pOa.te fi curățat termic (regenerat) deoarece rezistă foarte bine la temperatură. ' Ț . t « ·..! .The resistive acetone vapor sensor according to the invention removes the disadvantages of the presented sensors in that, in order to obtain a high sensitivity, a wide range of measurement of the acetone vapor concentration, a good stability and a long operating life, it is realized below the form of a porous ceramic block of the oxide compound with the Lao ^ Pbo ^ Fei-xZnxOs composition where x = 0.05 ^ 0.5. The ceramic block is provided with two interdigital electrodes (comb-shaped) on one of the surfaces and the opposite surface is placed on a heater. The material from which the ceramic block is made is an oxide compound, with a perovskite type structure and with an electrical resistivity of approx. 90 Ω-cm at 330 ° C, temperature found experimentally to be the optimum operating temperature. The sensor has a high sensitivity in a wide range of acetone vapor concentrations in air (50 ppm - 2000 ppm), as well as good physical and chemical stability. The ceramic block is made by pressing a very fine powder, nanometric, followed by a heat treatment, so as to obtain a mechanically resistant mass, with submicron crystals and with a porosity of approx. 40%. The active surface, in contact with the air containing acetone vapors, is very large, being mostly inside the sensor, not only at the surface of the material between the electrodes, so it is largely protected from solid impurities. For the chemical contamination of the entire active surface a large amount of contaminants would be needed. Ifeonil pOa.te is thermally cleaned (regenerated) because it is very resistant to temperature. 'Ț. t «· ..! .

-- y, of. Dr. tșan Vasile ί- y, of. Dr. tșan Vasile ί

’jJ

//

Γ 1 3 “ Ο Ο 1 6 5 -2 1 '82- 2013Γ 1 3 “Ο Ο 1 6 5 -2 1 '82 - 2013

Sensibilitatea bună la vapori de acetonă (C3H6O), poate fi explicată prin implicarea grupării hidroxil OH’. Când materialul senzorului de tip perovskit (Lao,8Pbo,2Fei.xZnxC>3, x = 0,05-4),5) este expus la acești vapori, gruparea OH' reacționează cu oxigenul chemisorbit pe suprafața senzorului generând electroni liberi care măresc rezistivitatea electrică a perovskitului (semiconductor de tip p). în prezența vaporilor de acetonă are loc reacția chimică dintre gazul specificat și oxigenul adsorbit la suprafața materialului senzor:The good sensitivity to acetone vapors (C 3 H 6 O) can be explained by the involvement of the hydroxyl group OH '. When the perovskite sensor material (Lao, 8Pbo, 2Fei. X Zn x C> 3, x = 0.05-4), 5) is exposed to these vapors, the OH 'group reacts with the chemisorbed oxygen on the surface of the sensor generating free electrons. which increase the electrical resistivity of the perovskite (p-type semiconductor). in the presence of acetone vapors the chemical reaction between the specified gas and the oxygen adsorbed on the surface of the sensor material takes place:

C3H6O + 8On (ads) —> 3CO2ads + 3H2Oads + 8ne (1)C3H6O + 8O n (ads) -> 3CO2ads + 3H2O to ds + 8ne (1)

Electronii eliberați de reacția (1) tind să anihileze golurile. Prin urmare rezistivitatea materialului (rezistența electrică de la bornele celor doi electrozi ai discului) crește în funcție de concentrația vaporilor de acetonă.Electrons released from reaction (1) tend to annihilate the gaps. Therefore the resistivity of the material (the electrical resistance from the terminals of the two electrodes of the disk) increases according to the concentration of acetone vapor.

în continuare se prezintă un exemplu de aplicare a invenției la realizarea unui senzor rezistiv de gaze reducătoare destinat detectării și măsurării concentrației vaporilor de acetonă din aer. Se procedează după cum urmează:The following is an example of the application of the invention to the development of a resistive reducing gas sensor for detecting and measuring the concentration of acetone vapor in the air. The procedure is as follows:

- se prepară o pulbere nanocristalină de material (compus semiconductor oxidic) cu compoziția Lao.sPbo^Feo^ZnojOs prin procedeul conform brevetului de invenție RO 121300/2007 care descrie prepararea unei pulberi de ferită.- a nanocrystalline powder of material (oxide semiconductor compound) with the Lao.sPbo ^ Feo ^ ZnojOs composition is prepared by the process according to the patent RO 121300/2007 which describes the preparation of a ferrite powder.

- din pulberea preparată se presează, cu presiunea de 5000 daN/cm , discuri cu diametrul de 10 mm și grosimea de 1,8 mm;- from the prepared powder, presses with a pressure of 5000 daN / cm, presses with a diameter of 10 mm and a thickness of 1.8 mm;

- discurile presate se tratează termic în aer 40 de minute la temperatura de 900 °C. Rezultă o structură ce conține cristale de 0,15-^0,25 pm cu o porozitate de cca. 40%;- the pressed discs are heat treated in air for 40 minutes at 900 ° C. The result is a structure containing 0.15- ^ 0.25 µm crystals with a porosity of approx. 40%;

- suprafețele plane se șlefuiesc, se curăță iar pe una din aceste suprafețe se depun doi electrozi interdigitali din platină, aur, paladiu sau chiar argint;- the flat surfaces are polished, cleaned and on one of these surfaces two interdigital electrodes of platinum, gold, palladium or even silver are deposited;

- un disc pregătit ca mai sus se montează cu suprafața fără electrozi pe un încălzitor electric termostatat asigurând contact termic cu toată suprafața iară electrozi a discului, încălzitor capabil să încălzească discul la temperatura de 330°C ±5°C. Suprafața încălzitorului se izolează din punct de vedere electric de suprafața de contact a discului printr-o foiță subțire de mică sau prin utilizarea unui încălzitor cu suprafață dielectrică. Sistemul încălzitor-disc se montează în suport cu contacte electrice pentru încălzitorul termostatat și electrozii discului. Contactele electrice trebuie să facă legătura prin cabluri electrice la sursa de alimentare a încălzitorului, respectiv la aparatul de măsurare a rezistenței electrice dintre electrozii discului care poate fi un ohmmetru de curent continuu sau un dispozitiv cu microcontroller ce integrează măsurarea rezistenței electrice, conversia în unități de^.m^uță a concentrației vaporilor de acetonă din aer în părți pe milion (ppm) și tranșipiîsiâ4a a datelor.- a disc prepared as above is mounted with the surface without electrodes on a thermostatic electric heater ensuring thermal contact with the entire surface again electrodes of the disc, heater capable of heating the disc at 330 ° C ± 5 ° C. The surface of the heater is electrically isolated from the contact surface of the disc by means of a small thin sheet or by the use of a heater with a dielectric surface. The heater-disc system is mounted in support with electrical contacts for the thermostat heater and the disc electrodes. The electrical contacts must connect through electrical cables to the heater's power supply, respectively to the electrical resistance measuring device between the disc electrodes, which may be a DC current ohmmeter or a microcontroller device that integrates the electrical resistance measurement, the conversion into units. ^ .m ^ of the concentration of acetone vapor in the air in parts per million (ppm) and transient of data.

Senzorul descris are un comportament semiconductor de tip |p bre^^^-O^stența înThe described sensor has a semiconductor behavior of the type - O ^ stence in

Ο 1 3 - 0 Ο 1 6 5 - 2 1 -02- 2013 prezența vaporilor de acetonă (vapori reducători), are porozitatea de 40%, domeniul de măsură a concentrației vaporilor de acetonă în aer cuprins între 50 ppm și 2000 ppm pentru temperatura încălzitorului de 330 °C, variația rezistenței de peste 500 de ori pe domeniul de măsură sus amintit, timpul de răspuns cuprins între 45 s și 120 s funcție de concentrația vaporilor de acetonă iar caracteristica concentrație-rezistență aproape logaritmică.Ο 1 3 - 0 Ο 1 6 5 - 2 1 -02- 2013 the presence of acetone vapors (reducing vapors), has a porosity of 40%, the measurement range of acetone vapor concentration in air between 50 ppm and 2000 ppm for temperature of the 330 ° C heater, the variation of the resistance more than 500 times in the above mentioned measurement range, the response time between 45 s and 120 s depending on the acetone vapor concentration and the near-logarithmic concentration-resistance characteristic.

Senzorul conform invenției prezintă următoarele avantaje:The sensor according to the invention has the following advantages:

- este simplu: un corp solid dintr-un singur material prevăzut cu doi electrozi interdigitali și plasat pe un încălzitor electric;- it is simple: a solid body of a single material provided with two interdigital electrodes and placed on an electric heater;

- este stabil fizic și chimic: material semiconductor ceramic, rezistent la temperaturi mari, fără compuși care ar putea reacționa cu substanțe din mediul ambiant;- it is physically and chemically stable: ceramic semiconductor material, resistant to high temperatures, without compounds that could react with substances from the environment;

- este foarte sensibil la vapori de acetonă și puțin sensibil la alți vapori sau gaze reducătoare;- is very sensitive to acetone vapors and slightly sensitive to other vapors or reducing gases;

- acoperă o gamă largă de concentrații ale acetonei în aer;- covers a wide range of acetone concentrations in air;

- fiind poros și cu o foarte mare suprafață activă este rezistent la contaminare fizică sau chimică;- being porous and with a very large active surface, it is resistant to physical or chemical contamination;

- în caz de contaminare poate fi regenerat termic;- in case of contamination it can be thermally regenerated;

- este ieftin și ușor de produs.- it is cheap and easy to produce.

Claims (1)

REVENDICĂRI:CLAIMS: 1. Senzor rezistiv pentru vapori de acetonă caracterizat prin aceea că, în scopul obținerii de sensibilitate, selectivitate, timp de răspuns, stabilitate superioară și rezistență la contaminare, utilizează drept element sensibil un material ceramic cu structură submicronică realizat din compusul oxidic cu compoziția Lao,8Pbo,2Fe].xZnxC>3 unde x = 0,05=0,5 preparat prin orice procedeu.1. Resistant sensor for acetone vapor characterized in that, in order to obtain sensitivity, selectivity, response time, superior stability and resistance to contamination, it uses as a sensitive element a ceramic material with submicronic structure made from the oxide compound with the Lao composition, 8Pbo, 2 Fe]. x Zn x C> 3 where x = 0.05 = 0.5 prepared by any process.
ROA201300165A 2013-02-21 2013-02-21 Resistive acetone vapour sensor RO129798B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201300165A RO129798B1 (en) 2013-02-21 2013-02-21 Resistive acetone vapour sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201300165A RO129798B1 (en) 2013-02-21 2013-02-21 Resistive acetone vapour sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO129798A2 true RO129798A2 (en) 2014-09-30
RO129798B1 RO129798B1 (en) 2017-11-29

Family

ID=51587933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201300165A RO129798B1 (en) 2013-02-21 2013-02-21 Resistive acetone vapour sensor

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO129798B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RO129798B1 (en) 2017-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gurlo et al. In situ and operando spectroscopy for assessing mechanisms of gas sensing
Zhao et al. Optimized low frequency temperature modulation for improving the selectivity and linearity of SnO 2 gas sensor
CN101281159B (en) Nanometer zinc oxide multifunctional gas-sensitive sensor device and making method thereof
US6786076B2 (en) Thin film gas sensor
EP3529601B1 (en) Gas sensing element
CN110568028A (en) Hydrogen sensor
TWI706571B (en) Miniature gas sensor structure
RO129798A2 (en) Resistive acetone vapour sensor
JP2015040753A (en) Metal oxide semiconductor gas sensor
RU2403563C1 (en) Differential sensor for gas analyser
RU91763U1 (en) DIFFERENTIAL GAS SENSOR
IL48045A (en) Method and apparatus for detecting the presence of alcohol and measuring its concentration
RU2546849C2 (en) Semiconductor oxygen sensor
CN114113241B (en) A double-layer SnO2-based methane sensor resistant to HMDSO poisoning and its preparation method
CA2260563C (en) Hydrogen sensor using a solid hydrogen ion conducting electrolyte
Yude et al. The n+ n combined structure gas sensor based on burnable gases
Debliquy et al. Sensing characteristics of hematite and barium oxide doped hematite films towards ozone and nitrogen dioxide
RO135494A1 (en) Capacitive ceramic sensor for relative humidity of air
Hahn SnO2 thick film sensors at ultimate limits: Performance at low O2 and H2O concentrations; Size reduction by CMOS technology
JP3919306B2 (en) Hydrocarbon gas detector
KR20060065704A (en) Electrochemical sensor
Abbas et al. Selective, Sensitive, and Fast Acetone Sensing Using Ternary Metal Chalcogenide PbSnSe2 Nanoflake at Room Temperature
RO129316A2 (en) Capacitive sensor for the relative humidity of air
JP3919307B2 (en) Hot wire semiconductor gas detector for air pollution detection
JP3929199B2 (en) HYDROGEN GAS DETECTION ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF